指向高階思維能力發展的生物學創新性試題分析及教學啟示

摘 要：創新性試題具有考查內容綜合化、解題思維復雜化以及求解途徑多元化的特點，是考查學生高階思維能力發展的重要題型之一。本文通過劃分創新性試題的類型，總結高階思維能力在高中生物學教學中的具體表現形式，并以近年普通高等學校招生全國統一考試北京卷生物學試卷中的創新性試題為例展開分析，對創新性試題的命制以及教學活動的開展有一定借鑒意義。

關鍵詞：高階思維能力；中學生物學教學；創新性試題；試題分析

文章編號：1003-7586（2024）08-0093-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中明確指出創造性思維是生物學學科核心素養中的重要科學思維，并且《課程標準》強調在習題的設計上應體現多樣、靈活、開放等特點。《中國高考評價體系》（以下簡稱“評價體系”）同樣在考查要求中指出，素質教育的突出特征之一是對創新性的強調。［1］本文以普通高等學校招生全國統一考試北京卷生物學試題為例，分析創新性試題對學生高階思維能力的考查及其對教學的啟示。

1 初探創新性試題，明確內涵與目標指向

1.1 創新性試題的內涵

創新性試題強調促進學生的高階思維發展，具備考查內容綜合化、解題思維復雜化、求解途徑多元化等特點。判斷一道試題是否為創新性試題，通常需要滿足以下條件：其一，情境真實，試題的設置通常基于真實情境，如科研進展、社會時事以及生產實踐等；其二，途徑多樣，創新性試題答案的求解途徑通常具有不唯一性；其三，條件復雜，學生在解題過程中需要進行復雜的思維活動，呈現其綜合學習能力、信息提取能力及創造能力等高階思維品質。此外，評價體系中明確指出發散思維、逆向思維、批判性思維

是創新性思維的重要特征。［1］基于此，本文將上述三種思維品質作為分析創新性試題的起點，結合創新性試題的特點與考查目標對其進行分類（見表1）。

1.2 創新性試題的目標導向

創新性試題需要指向生物學的學科本質。《課程標準》中指出“生物學是自然科學中的一門基礎學科，是研究生命現象和生命活動規律的的科學”。其學科本質蘊含一套系統的知識體系、特有的思維方式和探究歷程以及對生產生活產生的重大影響。由此，筆者認為生物學的學科本質包括：生物學學科知識、科學思維發展、科學探究歷程以及生物學與科學技術及社會之間的聯系。

創新性試題需要指向學生高階思維能力的發展。鐘志賢教授從能力發展的角度將高階思維定義為發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力，主要指問題求解能力、創新能力、批判性思維能力和決策能力［2］，其與《課程標準》對核心素養四個維度的描述存在較多相似之處。

本文以鐘志賢教授劃分的四大高階思維能力為基礎，結合生物學的學科本質以及生物學學科核心素養，總結了高階思維能力在高中生物學教學中的具體表現。同時，本文的解析也使創新性試題的目標更加具象化和可操作化，具體表現為：其一，科學解釋生物學現象的能力對應高階思維中的問題求解能力，即指學習者能夠準確識別生物學現象，運用所學生物學知識對其進行解釋的能力，是一種基礎邏輯思維的體現。其二，生物學實驗的設計與探究能力對應高階思維中的創新能力，基于學生對生物學現象的假設，獨自設計、開展并評估生物學實驗。其三，科學解讀數據與邏輯論證的能力對應高階思維中的批判性思維能力，即要求學生能夠對多種形式的數據進行科學的批判與論證。其四，社會生態性議題評估能力對應高階思維中的決策能力，即學生能夠針對生產生活各領域存在的生態性議題提出建設性意見，是知識、教育與社會相接軌的重要體現（見圖1）。

2 分析創新性試題，促進高階思維發展

2.1 發散思維

發散思維具有以下特征：其一，變通性，表現為學生能夠根據具體問題進行靈活的思維轉換，從多角度看待并理解問題；其二，創造性，表現為學生能夠采用新思路、新方法解決問題；其三，聯想性，表現為學生能夠將相互獨立的知識點串聯起來，從而發現解決問題的新角度。

例如，2023年普通高等學校招生全國統一考試北京卷生物學第20題，作為一道典型的創新性試題，題干對細胞器之間協調配合的相關知識點進行拓展，即線粒體與葉綠體的一系列氧化還原反應對胞內活性氧含量的調節。活性氧既可以參與細胞代謝活動，同時也對細胞的凋亡產生一定作用。該題要求學生從維持內環境穩態與平衡的角度對細胞器間的協調配合加以說明，在結論上具有開放性，學生可以結合所學知識展開作答，有利于在解題過程中培養思維的變通性和創造性。同時，該題也體現出生物學學科核心素養中的生命觀念，能夠準確反映學生所受教育是否達到《課程標準》的要求。此外，該題也體現出背景材料的創新性，擬南芥作為生物學科研的模式植物，其涉及的生長開花、植物菌核病以及細胞的程序性死亡等研究，有效幫助學生建立知識點之間的聯系，進而考查學生從科學的角度解釋生物學現象的能力。

學習以下材料，回答下面問題。

在細胞的氧化還原反應過程中會有活性氧產生，活性氧可以調控細胞代謝，并與細胞凋亡有關。我國科學家發現一個擬南芥突變體m（M基因突變為m基因），在受到長時間連續光照時，植株會出現因細胞凋亡而引起的葉片黃斑等表型。M基因編碼葉綠體中催化脂肪酸合成的M酶。與野生型相比，突變體m中M酶活性下降，脂肪酸含量顯著降低。為探究M基因突變導致細胞凋亡的原因，研究人員以誘變劑處理突變體m，篩選不表現細胞凋亡，但仍保留m基因的突變株。通過對所獲一系列突變體的詳細解析，發現葉綠體中pMDH酶、線粒體中mMDH酶和線粒體內膜復合物Ⅰ（催化有氧呼吸第三階段的酶）等均參與細胞凋亡過程。由此揭示出一條活性氧產生的新途徑（如圖）：A酸作為葉綠體中氧化還原平衡的調節物質，從葉綠體經細胞質基質進入到線粒體中，在mMDH酶的作用下產生NADH（［H］）和B酸，NADH被氧化會產生活性氧。活性氧超過一定水平后引發細胞凋亡。

在上述研究中，科學家從擬南齊突變體m入手，揭示出在葉綠體和線粒體之間存在著一條A酸—B酸循環途徑。對A酸—B酸循環的進一步研究，將為探索植物在不同環境脅迫下生長的調控機制提供新的思路。

本文拓展了高中教材中關于細胞器間協調配合的內容，請從細胞器間協作以維持穩態與平衡的角度加以概括說明__________。

2.2 逆向思維

逆向思維的形成通常具有以下特點：其一，條件不完備性，表現為問題結論明確但缺乏相關條件進行證明；其二，思維起點復雜性，表現為學生解題時從思維起點進行邏輯推理具有較大的困難，但從問題結論進行逆向推理時思路則較為明確。

例如，2020年普通

高等學校招生全國統一

考試北京卷生物學第14題，紫色洋蔥鱗片葉是觀察植物細胞質壁分離及復原現象的最佳實驗材料之一，而黑藻葉片則常作為觀察葉綠體和細胞質流動的實驗材料。若學生按照正向思維進行思考，會引起已有認知產生沖突，從而在作答過程中出現錯誤。這時就需要學生轉變思維方式，通過黑藻葉片原生質層整體呈現綠色的特點，逆向推理出可以將其作為細胞質壁分離及復原實驗的材料，體現了逆向思維的靈活變通特點。

下列高中生物學實驗中，用紫色的洋蔥鱗片葉和黑藻葉片作為實驗材料均可完成的是（ ）。

A. 觀察葉綠體和細胞質流動

B. 提取和分離葉綠素

C. 觀察細胞質壁分離及復原

D. 觀察細胞的有絲分裂

2.3 批判性思維

批判性思維具有如下特點：其一，題干的嚴謹性，要求學生能夠根據已掌握的知識和教學評價標準對題干中的漏洞提出相應改進措施；其二，觀點的辯證性，要求學生以辯證的視角看待問題并發表自身的觀點；其三，思維的碰撞性，通過制造學生已有認知與題干材料觀點之間的沖突，對原有結論進行修正與完善，從而促進學生批判性思維的發展。

例如，2022年普通高等學校招生全國統一考試北京卷生物學第21題，提供了監測E物質的兩種途徑，一種是通過E物質的受體復合物激活誘導型啟動子ERE，從而啟動下游基因的表達；另一種是通過酵母來源的Gal4蛋白特異性激活酵母來源的UAS，從而啟動下游基因，并附以相應流程圖。學生對兩種方式進行比較分析，得出方案2的優勢在于監測靈敏性更高。該試題體現了批判性思維的辯證性，側面考查了學生的實驗設計與探究能力。

生態文明建設已成為我國的基本國策。水中雌激素類物質（E物質）污染會導致魚類雌性化等異常，并通過食物鏈影響人體健康和生態安全。原產南亞的斑馬魚，其肌細胞、生殖細胞等存在E物質受體，且幼體透明。科學家將綠色熒光蛋白（GFP）等基因轉入斑馬魚，建立了一種經濟且快速的水體E物質監測方法。為監測E物質，研究者設計了下圖所示的兩種方案制備轉基因斑馬魚，其中ERE和酵母來源的UAS是兩種誘導型啟動子，分別被E物質-受體復合物和酵母來源的Ga14蛋白被特異性激活，啟動下游基因表達。

與方案1相比，方案2的主要優勢是__________，因而被用于制備監測魚（MO）。

3 深入創新性試題，助力學科教學實踐

3.1 基于試題分析，指導試題命制

教師在命制試題時，需要注意對試題進行“開放化”處理，將原來封閉的試題條件、解答過程及試題結論進行拓展或模糊化處理，并聚焦試題的創新性與綜合性設計，進而激發學生的思維活躍性。命題過程中也可提升情境的貫穿性，設置思維遞進式問題，逐步促進學生創新性思維的發展。此外，教師還可以適當設計長篇幅題目，構建完整情境，將考查重點由學會現有知識轉變為具備學習新知識的的思維方法，培養學生從較大的思維量和知識量的試題中提取有效信息的能力。

3.2 把握試題特點，規劃教學活動

在日常生物學教學中，針對創新性試題具有情境真實的特點，教師要根據《課程標準》

和學科教材內容選擇合適素材培養學生思維。例如，把握我國生物學教材“一標多本”的現狀，教師通過將不同版本教材的相關內容進行融合，使學生的思維發展融入課堂教學中；根據創新性試題具有內容綜合的特點，教師可通過拓寬學生的課外閱讀量，在培養創新性思維的同時鍛煉學生提取信息的能力；根據創新性試題具有的開放性和靈活性等特點，教師在課堂提問中設置部分結構不良問題，以問題推動學生思維的進階。

3.3 順應試題趨勢，改變學習方式

為順應目前創新性試題呈現出的多元化發展趨勢，教師應引導學生打破常規的學習方式，在掌握基本知識的同時更要注意對知識體系進行整合，在整合知識的過程中促進學生高階思維的發展。

4 結語

創新性試題多以真實情境為載體，以解決實際問題、探索科學前沿、凝練

社會價值為目標，體現了學科教學立德樹人的根本任務。聚焦于學生的高階思維能力的考查，有助于實現創新型人才的培養。同時，教師在教學過程中要注意把握試題的命制趨勢，并以此為基礎促進教學方式的轉變，進而實現高考試題引導教學的功能。

參考文獻

［1］教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2019：4+20.

［2］鐘志賢.如何發展學習者高階思維能力？［J］.遠程教育雜志，2005（4）：78.